JP2006196494A

JP2006196494A - 電気機器

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Publication number: JP2006196494A
Application number: JP2005003469A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kitahata; 真北畠; Osamu Kusumoto; 修楠本; Masao Uchida; 正雄内田; Kunimasa Takahashi; 邦方高橋; Masaya Yamashita; 賢哉山下; Ryoko Miyanaga; 良子宮永; Koichi Hashimoto; 浩一橋本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2006-07-27

Abstract

【課題】ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体モジュールを、９０℃以上、４００℃以下の範囲に加熱された部材に装着可能に構成することにより、半導体モジュールを使用した伝熱設計の高効率化を可能にした電気機器を提供する。
【解決手段】電気機器１３０は、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体モジュール１１０と、９０℃以上、４００℃以下の温度範囲において使用される被加熱部材１３と、を備えて構成されている。そして、前記半導体モジュール１１０を前記温度範囲に加熱された前記被加熱部材１３に装着することにより、前記半導体モジュール１１０が加熱される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機器に係り、更に詳しくは、電気機器のパワーデバイスの実装構造においてワイドギャップ半導体を用いた半導体モジュールが使用される電気機器に関する。

電力変換用のパワー半導体モジュールは、電力変換に伴い損失を発生することから、通常、この損失に起因したパワー半導体モジュールの発熱を抑えて、パワー半導体モジュールを適正な動作温度以下に保てるように熱設計されている。

例えば、パワー半導体モジュールに内蔵されるパワー半導体素子とパッケージ基材（パッド部）との間の熱移動を良好にしてパワー半導体モジュールの発熱を速やかに放熱フィンに伝え、これにより、パワー半導体モジュールが適切に冷却するように設計されている（例えば、半導体装置の放熱フィン設計例として特許文献１参照）。

即ち、既存のパワー半導体モジュールの熱設計技術では、電気機器内のパワー半導体モジュールが冷却可能な金属部材（放熱フィン等）に接触して実装される一方、仮にこの電気機器内部に高温の被加熱部材が存在すれば、このパワー半導体モジュールを被加熱部材から可能な限り離間させて配置するという熱設計が常識的に採用されている。

図３は、既存のＳｉを用いたパワー半導体素子を内蔵したパワー半導体モジュール（以下、Ｓｉパワー半導体モジュールという。）の一構成例を示した断面概略図である。

従来のパワー半導体モジュール１００は、図３に示すように、一対のＳｉパワー半導体素子３１、３２と、これらのＳｉパワー半導体素子３１、３２の裏面にダイボンドにより半田接合された金属製のパッド部３５と、Ｓｉパワー半導体素子３１、３２の表面およびパッド部３５の表面を覆って設けられた樹脂部材３６と、この樹脂部材３６に埋め込まれ、Ｓｉパワー半導体素子３１、３２と適宜の配線を介して電気的に接続される一対のピン３３、３４と、パッド部３５に電気的に接続して接地されるフレーム３８と、パッド部３５の裏面に接触して配置された複数の放熱フィン３７と、を備えて構成されている。

このような構成により、Ｓｉパワー半導体素子３１、３２の損失に起因して発生した熱は、熱伝導率特性に優れた放熱フィン３７に伝熱され、これらの放熱フィン３７を介して空気との熱交換により大気に放出される。こうしてＳｉパワー半導体素子３１、３２の内部昇温が適正に抑制され、Ｓｉパワー半導体素子３１、３２の温度（ＰＮ接合部のジャンクション温度）が、その保障温度範囲である１５０℃以下に保たれている。

もし、既存の大電流制御用のパワー半導体モジュール１００（例えばＳｉ−ＭＯＳＦＥＴ、Ｓｉ−ＩＧＢＴまたはＳｉ−ダイオード等のパワー半導体モジュール１００）のジャンクション温度が、１５０℃を超えると、Ｓｉパワー半導体素子３１、３２の半導体層は熱暴走によるショート状態になって、これにより、Ｓｉパワー半導体素子３１、３２が電流制御不能な状態に陥る。

このため、Ｓｉ材料自体の熱伝導率（１．５Ｗ／ｃｍＫ程度）を勘案して、Ｓｉパワー半導体素子３１、３２の半導体層を流れる電流による発熱を、放熱フィン３７を介して効率的に外部に逃がす熱設計が適切に実行されている。

具体的な電流値として、Ｓｉパワー半導体素子３１、３２の半導体層を流れる電流密度が１０Ａ／ｃｍ²以上になれば、Ｓｉパワー半導体素子３１、３２の電流発熱を考慮した熱設計の必要性が生まれ、それが５０Ａ／ｃｍ²であれば、顕著な電流発熱に対処可能な熱設計が不可欠である。

即ち、Ｓｉパワー半導体素子３１、３２の半導体層を流れる電流密度が、少なくとも１０Ａ／ｃｍ²以上であれば、Ｓｉパワー半導体素子３１、３２に対し何らかの冷却設計を施すことが必要であると認識されている。

また、半田によりプリント基板に実装されるこのパワー半導体モジュール１００は、鉛半田の信頼性を保つためにパッド部３５の温度を約８５℃以下に冷却する必要があると見做されている。
特開平６−６１３８５号公報

ところでＳｉパワー半導体素子３１、３２の放熱量は、Ｓｉパワー半導体素子３１、３２と、この伝熱経路に相当するパッケージ基材（パッド部３５）との間を接合する半田ダイボンド接合状況に密接に依存する。また、放熱フィン３７による放熱効果は、空冷用の空気の流れ状態に密接に関連する。

このため、Ｓｉパワー半導体素子３１、３２の効率的放熱には、Ｓｉパワー半導体素子３１、３２とパッド部３５との間を適正に接合する接合設計や放熱フィン３７に適正な空気量を送る流れ設計（例えば、放熱フィンおよび空冷用ファンの最適設計等）が要求され、こうした煩雑な熱設計に伴う人的労力が、パワー半導体モジュールにおける電気機器の伝熱設計の時間短縮やコスト低減に大きな障害となっている。

また、こうしたパワー半導体モジュール１００を内蔵した電気機器では、空冷用の空気を流すための所定のスペースを電気機器の内部に確保することを要して、これにより、電気機器が大型化するという問題も内在する。

とりわけ最近、パワー半導体モジュール１００によるインバータ制御は、電気機器の加熱機構に適用される例が増えており、こうした電気機器について、その内部スペース増加が無視できなくなっている。

例えばＩＨ（誘導加熱）調理器のように、インバータ制御のコイル高周波電流によって発生した磁界に金属容器（例えば、食材や液体を加熱するための容器）を設置すると、この金属容器の表面に誘導電流（うず電流）が生成してこの金属容器（被加熱部材）を加熱できる。こうした電気機器においてインバータ制御用のスイッチング素子として使用されるパワー半導体モジュールは、加熱された金属容器の傍らに配置できない。

即ち、金属容器から極力離間させて効率的にパワー半導体モジュール１００を冷却する方が望ましいところ、そうなると逆に、この離間スペースに起因してＩＨ調理器のコンパクト設計は困難になる。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、半導体モジュールの半導体材料にワイドバンドギャップ半導体を用いて、９０℃以上、４００℃以下の範囲に加熱された被加熱部材に半導体モジュールを装着可能に構成することにより、半導体モジュールを使用した伝熱設計の高効率化を実現した電気機器を提供することを目的とする。

また本発明は、こうした半導体モジュールを上記被加熱部材に装着可能に構成することによって、コンパクト化を図れた電気機器を提供することも目的とする。

ワイドバンドギャップ半導体を使用した半導体モジュール（パワー半導体モジュール）は、優れた熱伝導特性を有し、バンドギャップの幅が大きいことに起因して、仮にそのジャンクション温度を１５０℃〜４００℃の範囲に昇温しても、パワー半導体モジュールは、適切に動作可能である。

このことから本願発明者等は、ワイドバンドギャップ半導体を半導体モジュールに用いることにより、半導体モジュールを被加熱部材から可能な限り離間させて配置するという設計常識を打破した電気機器の実用化が可能であると考えた。

より具体的には、本発明に係る電気機器は、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体モジュールと、９０℃以上、４００℃以下の温度範囲において使用される被加熱部材と、を備え、前記半導体モジュールを前記被加熱部材に装着することにより、前記半導体モジュールが加熱されるという機器である。

なおここで、前記半導体モジュールの使用時におけるジャンクション温度は、１５０℃以上、４００℃以下である。

ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体モジュールを９０℃以上、４００℃以下の温度範囲において使用される被加熱部材に装着しても、その半導体モジュールの使用時におけるジャンクション温度を１５０℃〜４００℃の範囲に収めることができ、１５０℃〜４００℃の範囲にジャンクション温度を保った半導体モジュールは正常に動作可能である。

また前記ジャンクション温度として、２００℃以上、３００℃以下の温度範囲は、半導体モジュールの最適ジャンクション温度範囲と見做されており、半導体モジュールの電気抵抗を、上記最適ジャンクション温度範囲内（２００℃〜３００℃）において最小値をとるように半導体モジュールは設計され得る。

また、前記半導体モジュールは、前記ワイドバンドギャップ半導体により半導体層を構成した半導体素子と、前記半導体素子を載せる台座と、を備え、例えば前記台座が金属製であれば、前記半導体素子の裏面と前記台座とを、金属接合させても良い。

より具体的には、前記半導体素子の裏面と前記台座とを、超音波により金属接合させても良い。

こうすると、高温の前記被加熱部材に前記半導体モジュールを装着しても、前記半導体素子の裏面と前記台座との間の接合において前記部材が加熱された場合に不具合が発生すること無く好適である。

また、前記被加熱部材は凹部を有し、前記半導体モジュールが、前記凹部の内側に配置されるように構成しても良い。

こうした構成により、半導体モジュールを電気機器の内部に配置した場合に、半導体モジュールによる電気機器の内部のデットスペースは完全に解消される。

なお、前記ワイドバンドギャップ半導体の一例は炭化珪素である。炭化珪素は、低損失性、安定性および信頼性の観点から優れている。

また、前記半導体モジュールの動作の際、前記半導体モジュールの内部を流れる電流密度は例えば、１０Ａ／ｃｍ²以上、１０００Ａ／ｃｍ²以下であっても良く、この前記電流密度は望ましくは、５０Ａ／ｃｍ²以上、５００Ａ／ｃｍ²以下である。

１０Ａ／ｃｍ²以上、１０００Ａ／ｃｍ²以下の電流密度範囲では、前記半導体モジュールから発生する熱と、前記半導体モジュールを経て前記被加熱部材に放出される熱とが、上手くバランスして、これにより、前記半導体素子のジャンクション温度は、その動作可能範囲に対応する１５０℃〜４００℃の範囲に収まる。

更に、５０Ａ／ｃｍ²以上、５００Ａ／ｃｍ²以下の電流密度範囲とすれば、前記半導体モジュールのジャンクション温度は２００℃〜３００℃の範囲に収まり、これにより、前記半導体モジュールの電気抵抗を最小になるように前記半導体モジュールが設計でき好適である。

なお、前記電気機器は、前記加熱された部材の表面に誘導電流を発生する加熱コイルを備え、前記半導体モジュールは、前記被加熱部材の外周面に装着されて前記加熱コイルをスイッチング制御しても良い。ここでは前記電気機器例は、前記被加熱部材に収納された食材または液体を誘導加熱する調理器である。

また、前記電気機器は、前記被加熱部材の内部に充填された冷媒ガスを外部に圧送するポンプと、前記ポンプを駆動するモータと、を備えたコンプレッサであっても良く、この場合、前記半導体モジュールは、前記被加熱部材に相当する加熱されるコンプレッサ壁部材の外周面に装着されて前記ポンプをスイッチング制御しても良い。

本発明によれば、半導体モジュールの半導体材料にワイドバンドギャップ半導体を用いて、９０℃以上、４００℃以下の範囲に加熱された被加熱部材に半導体モジュールを装着可能に構成することにより、半導体モジュールを使用した伝熱設計の高効率化を実現にした電気機器が得られる。

また本発明によれば、こうした半導体モジュールを上記被加熱部材に装着可能に構成することによって、コンパクト化を図れた電気機器が得られる。

（本発明の概念）
最初に本発明の概念を説明する。

本実施の形態に使用されるパワー半導体モジュールの特徴は、ワイドバンドギャップ半導体からなる半導体層を有することにある。このようなパワー半導体モジュールを電気機器の加熱された部材に装着することにより、コンパクト化を実現する電気機器が得られる。

以下、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体モジュールの特性を解説する。

ワイドバンドギャップ半導体とは、半導体の性質を特徴づける材料パラメータであるエネルギーバンドギャップがシリコン半導体やＧａＡｓ半導体に比べて大きな材料（バンドギャップ；２eＶ以上）の総称である。

ワイドバンドギャップ半導体材料の例として、シリコンカーバイド（炭化珪素；ＳｉＣ）、III族窒化物（ＧａＮ、ＡｌＮ等）およびダイヤモンドがある。但し、低損失性、安定性および信頼性の観点から優れるＳｉＣがより好適であり、本実施の形態ではＳｉＣが使用されている。

ワイドバンドギャップ半導体の熱伝導率の値は、Ｓｉの熱伝導率（１．５Ｗ／ｃｍＫ）の値より数倍大きく、例えば、ＳｉＣの熱伝導率は４．９Ｗ／ｃｍＫであり、ダイヤモンドの熱伝導率は２０Ｗ／ｃｍＫである。このことから、例えばＳｉＣの高い熱伝導率に起因して、ＳｉＣパワー半導体モジュールの熱放出効率が、Ｓｉパワー半導体モジュールに対して改善できる。

そうすると、ＳｉＣパワー半導体モジュール内部の高電流密度領域（ジャンクション領域）におけるジャンクション温度の上昇を抑制でき好適である。つまり、電気機器の被加熱部材に直接、ＳｉＣパワー半導体モジュールが装着されても、ＳｉＣパワー半導体モジュールに内包するＳｉＣを介して、このＳｉＣパワー半導体モジュール自体から適切に熱放出がなされ、これにより、上記被加熱部材の温度とＳｉＣパワー半導体モジュールのジャンクション温度の差を、低く抑えることを可能にしている。

なお、ジャンクション温度とは、半導体モジュールのドリフト領域に存在するＰＮ接合部温度のことであるが、ここでは簡易的に、ＳｉＣパワー半導体モジュールの表面の適所を、例えば熱電対により測定して得られた温度を、ジャンクション温度と想定している。勿論、分解能に優れた温度計測器を使って、ＳｉＣパワー半導体モジュールのドリフト領域に存在するＰＮ接合部温度を直接計測することも可能である。

ＳｉＣパワー半導体モジュールに電流が流れると、内部損失（熱損失）が発生して、ＳｉＣパワー半導体モジュール内のジャンクション温度が許容値を超えるとショート状態となり電流が暴走し、機能劣化や故障の原因となって、最悪、素子が破壊される。このため、ジャンクション温度を適切に管理する必要があり、ひいてはＳｉＣパワー半導体モジュールのパッド部およびそれと直接接合する被加熱部材の温度管理も重要であると言える。

次に、従来のＳｉを用いたパワー半導体モジュールとの比較において、ＳｉＣパワー半導体モジュールによってもたらされる電気抵抗改善効果および損失改善効果を検証した結果を述べる。

なお、ここでの検討に当たっては、電気機器として調理器等が念頭に置かれており、被加熱部材の温度は約１００℃に設定されている。

従来のＳｉパワー半導体モジュール（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）は、８５℃以下の部材に装着されることを前提としており、これにより、Ｓｉパワー半導体モジュールのジャンクション温度は、１５０℃以下になる。そして、ジャンクション温度として１５０℃に調整された既存のＳｉパワー半導体モジュールの電気抵抗（Ｒｏｎ）は、約２００ｍΩであった。

これに対して、約１００℃で使用される電気機器の被加熱部材にＳｉＣパワー半導体モジュール（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）を装着すると、ＳｉＣパワー半導体モジュールの電流条件や構造が適正化されることによって、そのジャンクション温度を、最適ジャンクション温度範囲内（２００℃〜３００℃）に調整可能であり、この最適ジャンクション温度範囲内にあるＳｉＣパワー半導体モジュールの電気抵抗（Ｒｏｎ）は、例えば、９５ｍΩという最小値をとるようにＳｉＣパワー半導体モジュールが設計可能である。

即ち、電気抵抗（Ｒｏｎ）は、ドリフト抵抗（Ｒｄ）とチャネル抵抗（Ｒｃｈ）との総和（Ｒｄ＋Ｒｃｈ）に相当するものであるが、ＳｉＣパワー半導体モジュールのドリフト抵抗（Ｒｄ）は、ジャンクション温度の上昇に伴って増加する傾向にある一方、逆に、ＳｉＣパワー半導体モジュールのチャネル抵抗（Ｒｃｈ）は、ジャンクション温度の上昇に伴って減少する傾向にある。

このような理由により、ＳｉＣパワー半導体モジュールの電気抵抗（Ｒｏｎ）を、上記最適ジャンクション温度範囲内（２００℃〜３００℃）において最小値をとるようにＳｉＣパワー半導体モジュールの設計が可能である。

また逆に、上記温度（１００℃）を意図的に上げた被加熱部材に、ＳｉＣパワー半導体モジュールを装着しても、ＳｉＣパワー半導体モジュールの電気抵抗の値は、その最小値（Ｒｏｎ；９５ｍΩ）から殆ど変化しないことも分かった。より具体的には、被加熱部材の温度が２００℃になっても、被加熱部材とＳｉＣパワー半導体モジュールの温度差は小さいことから、ＳｉＣパワー半導体モジュールのジャンクション温度は３００℃程度に保たれ、ＳｉＣパワー半導体モジュールのジャンクション温度が４００℃に達した場合であっても、ＳｉＣパワー半導体モジュールの電気抵抗（Ｒｏｎ）は、上記Ｓｉパワー半導体モジュールの電気抵抗（Ｒｏｎ；２００ｍΩ）と同程度であった。このことからＳｉＣパワー半導体モジュールのジャンクション温度の許容上限値は４００℃であると推定され、被加熱部材の温度が必然的にジャンクション温度より低めであることを勘案すれば、被加熱部材の温度の許容上限値も４００℃であると推定される。

要するにＳｉＣパワー半導体モジュールを、９０℃以上、４００℃以下に加熱された部材に装着しても、ＳｉＣパワー半導体モジュールのジャンクション温度が１５０℃〜４００℃の範囲に収まる可能性が高く、ＳｉＣパワー半導体モジュールは正常に動作可能であると考えられる。

またここで、約１００℃において使用される電気機器の被加熱部材に、ＳｉＣパワー半導体モジュールが装着された場合に、ＳｉＣパワー半導体モジュール内部を流れる電流密度が１０Ａ／ｃｍ²以上、１０００Ａ／ｃｍ²以下であれば、ＳｉＣパワー半導体モジュールから発生する熱と、ＳｉＣパワー半導体モジュールを経て被加熱部材１２（温度；１００℃）に放出される熱とが、上手くバランスして、これにより、ＳｉＣパワー半導体モジュールのジャンクション温度は、上記１５０℃〜４００℃の範囲に収まる。

また、上記電流密度が、５０Ａ／ｃｍ²以上、５００Ａ／ｃｍ²以下であれば、ＳｉＣパワー半導体モジュールのジャンクション温度は２００℃〜３００℃の範囲に収まり、ＳｉＣパワー半導体モジュールの電気抵抗を最小（例えば、９５ｍΩ）になるようにパワー半導体モジュールを設計でき好適である。

更に、このような高絶縁耐圧のＳｉＣパワー半導体モジュール（ＭＯＳＦＥＴ）が、スイッチング素子として使用される場合には、ＭＯＳＦＥＴのドリフト層の厚みを減らすことが可能であり、かつＭＯＳＦＥＴのドリフト層不純物濃度を高めることも可能である。こうした観点からも電気抵抗（Ｒｏｎ）を低くできることに起因して、ＳｉＣパワー半導体モジュールの損失は、Ｓｉパワー半導体モジュールの損失に比べて（両者が１ＫＶ程度の耐圧の場合）、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴに対し一桁以上低減でき、Ｓｉ−ＩＧＢＴに対しても半分以下に低減できる。

また、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴによってＳｉ−ＩＧＢＴを凌駕する高耐圧かつ低損失が達成されことに加え、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの高速性を高電圧かつ大電流の制御に活かせる。つまり、半導体モジュールのスイッチング速度がスイッチング時間に対して遅れることに起因する素子のスイッチング損失が改善されることになる。

更にはこうしたＳｉＣパワー半導体モジュールの低損失性は、素子内部発熱を減ずる作用をも発揮し、ＳｉＣパワー半導体モジュールの低損失性および低発熱性の相乗効果によって、ＳｉＣパワー半導体モジュールは、従来のＳｉパワー半導体モジュールに対して更なる優位性を示すことになる。

なおここまで、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴが例示されているが、勿論、ＳｉＣパワー半導体モジュールとしてこれに限られるものではなく、ショットキーダイオード、ｐｎダイオード、ＭＥＳＦＥＴ、Ｊ−ＦＥＴおよびサイリスタ等であっても以上に説明した優位性は当て嵌る。

次に、以上に述べたＳｉＣパワー半導体モジュールを、具体的な電気機器に適用した本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

（実施の形態１）
図１は、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ）からなる半導体層を有するパワー半導体モジュールを用いた本実施の形態による電気機器の一構成例を示した図である。

電気機器１３０は主として、金属容器１３（被加熱部材）と、この金属容器１３の外周面に装着されたＳｉＣ半導体層を有するパワー半導体モジュール１１０（以下、単にパワー半導体モジュール１１０という。）と、このパワー半導体モジュール１１０により電流制御（スイッチング制御）され、金属容器１３の底面に対向して配置される加熱コイル１４と、を備えて構成されている。

金属容器１３の底面（表面）には、加熱コイル１４に印加される交流電圧によって誘導電流（うず電流）が発生する。この金属容器１３は、所定温度に誘導加熱される有底かつ筒状の容器である。

この所定温度の範囲は、９０℃以上、４００℃以下であり、ここでは具体的な電気機器例としてＩＨ調理器や調理用の湯沸かし器が想定され、金属容器１３が、水分を含む食材１８や飲料水等の液体１８を加熱する調理器用の容器であれば、この定常温度は１００℃を超えず過渡的にも１５０℃は越えない。

パワー半導体モジュール１１０はスイッチング素子としてのパワー半導体素子１１、１２を有し、より詳しくは、家庭用の１００Ｖ交流電力を直流電力に変換するコンバータ１１（パワー半導体素子１１）と、コンバータ１１により変換された直流電力に基づき加熱コイル１４の給電用の１００Ｖ、５００Ｗの交流電力を発生するインバータ１２（パワー半導体素子１２）と、を有している。

また、これらのパワー半導体素子１１、１２の裏面は、パワー半導体素子１１、１２を載せる台座として機能する金属製のパッド部１５に接合され、パワー半導体素子１１、１２およびパッド部１５の表面を覆うようにセラミック１６がモールドされている。

ここではパッド部１５は、金属容器１３の側壁外面に適宜の方法により接合され、これにより、パワー半導体モジュール１１０は金属容器１３の側壁に取り付けられるような形態が図示されているが、仮に金属容器１３がホットプレートのような形態であれば、こうしたホットプレートの表面に凹部を設けて、この凹部の内側にパワー半導体モジュール１１０を埋め込んで配置することも可能である。

この金属容器１３の温度が百数十℃に達した場合には、パワー半導体素子１１、１２の裏面とパッド部１５との間の接合に半田を使うと、この半田が溶融されかねない。このため、パワー半導体素子１１の裏面とパッド部１５との接合には、例えば、銅のような金属同士をそれらの表面を滑らかにして互いに密着させた後、超音波振動エネルギーにより金属界面を合金化して接合する超音波金属接合技術を採用することが望ましい。

次に、以上のように構成された本実施の形態による電気機器の動作例を説明する。

パワー半導体モジュール１１０を動作させて、加熱コイル１４に通電すると金属容器１３が所定の温度（ここでは１００℃）に加熱される。ここで、パワー半導体素子１１、１２の半導体層がＳｉＣで構成されているため、その良好な熱伝導特性により、パワー半導体素子１１、１２のジャンクション温度は、約２００℃に保たれ、パワー半導体素子１１、１２は良好に動作可能であった。

従って、本実施の形態におけるＩＨ調理器や湯沸かし器（以下、調理器等という。）によれば、スイッチング素子としてのパワー半導体モジュール１１０を加熱された金属容器１３に直接装着できる。

加えて、このパワー半導体モジュール１１０を冷却する機構（空冷フィンやファン等）を調理器等の内部に配置する必要がなく、調理器等をコンパクトに構成できる。ここで本実施の形態による電気機器が湯沸かし器であれば、湯沸かし器の内部スペースを容量にして２００ｃｃ以上削減でき、ポット容器とほぼ同じ大きさの湯沸かし器が実現できると期待される。

特に、パワー半導体モジュール１１０を被加熱部材に埋め込むことが可能であれば、パワー半導体モジュール１１０による調理器等のデットスペースは完全に無くなり好適である。

また、従来のＳｉパワー半導体モジュールにおける煩雑な放熱設計を行う必要がなく、パワー半導体モジュールを配置した調理器等の伝熱設計の時間短縮やコスト低減が図れる。

更に、従来のＳｉパワー半導体モジュールの損失（約３０Ｗ）に比較して、このパワー半導体モジュール１１０の損失は、約１０Ｗであり、ＳｉＣパワー半導体素子の低損失特性が確実に発揮され、しかも、この損失分（１０Ｗ）の熱量は食材や飲料水等の加熱に活用でき、パワー半導体モジュールのエネルギーロスは殆ど解消される。

なおここまで、調理器等の金属容器１３の加熱法として誘導加熱を例に説明したが、勿論、これに限られるものではなく、例えば、金属容器１３の抵抗加熱であってもこの技術は適用できる。

また、半導体パッケージとして、ここではセラミックパッケージが例示されているが、勿論、これに限られるものではなく、例えば、樹脂封止パッケージ、金属パッケージおよびガラスパッケージ等の各種半導体パッケージにこの技術は応用できる。

（実施の形態２）
図２は、ワイドバンドギャップ半導体からなる半導体層を有するパワー半導体モジュールを用いた本実施の形態による電気機器の他の構成例を示した図である。

ここでは、電気機器例としてエアコン用のコンプレッサが想定されている。

電気機器１４０は主として、被加熱部材としての金属製の筒状壁２３と、この筒状壁２３の外周面に装着されたワイドバンドギャップ半導体からなる半導体層を有するパワー半導体モジュール１２０（以下、単にパワー半導体モジュール１２０という。）と、筒状壁２３の内部に配置され、冷媒ガスを冷却部（図示せず）に圧送するコンプレッサポンプ２７と、筒状壁２３の軸方向の一端に配置され、パワー半導体モジュール１２０の電流制御（スイッチング制御）によりコンプレッサポンプ２７を駆動する３相モータ２４と、を備えて構成されている。

またここで、筒状壁２３は、冷媒ガス２８を圧縮して、これが加圧状態に充填されたコンプレッサの高温部分に相当し、これにより、筒状壁２３は、約１２０℃に昇温している。

なお、筒状壁２３の軸方向の他端は、図２に示すように開放されており、ここから冷媒ガス２８が、加圧状態を保って冷却部に向けて圧送され、この冷却部において冷媒ガス２８の加圧状態がリリースされることにより、冷却部が適切に冷やされる。

その後、冷却部で圧力リリースされた冷媒ガス２８は、図２の矢印で示すように再び筒状壁２３の内部に戻される。

パワー半導体モジュール１２０はスイッチング素子としてのパワー半導体素子２１、２２を有し、より詳しくは、家庭用の１００Ｖ交流電力を直流電力に変換するコンバータ２１（パワー半導体素子２１）と、コンバータ２１により変換された直流電圧（約２００Ｖ）をスイッチングするインバータ２２（パワー半導体素子２２）と、を有している。

なお、半導体層の電流密度を１００Ａ／ｃｍ²に制御されたＳｉＣパワー半導体素子（ＭＯＳＦＥＴ）が、インバータ２２として６個実装されて、これにより、３相モータ２４に約２０Ａの電流を給電させたうえで、各々のインバータ２２のスイッチタイミングをとって３相モータ２４が回転される。

また、これらのパワー半導体素子２１、２２の裏面は、パワー半導体素子２１、２２を載せる台座として機能する金属製のパッド部２５に接合され、パワー半導体素子２１、２２およびパッド部２５の表面を覆うようにセラミック２６がモールドされている。

またパッド部２５は、筒状壁２３の側壁外面に適宜の方法により接着されるが、筒状壁２３の厚みが充分に厚い場合には、この筒状壁２３の外周面に凹部（図示せず）を形成して、この凹部の内側にパワー半導体モジュール１２０を埋め込んで配置することも可能である。

なお、この筒状壁２３の温度が百数十℃に達した場合には、パワー半導体素子２１、２２の裏面とパッド部２５との間の接合に半田を使うと、この半田が溶融されかねない。このため、パワー半導体素子２１の裏面とパッド部２５との接合には、例えば、銅のような金属同士をそれらの表面を滑らかにして互いに密着させた後、超音波振動エネルギーにより金属界面を合金化して接合する超音波金属接合技術を採用することが望ましい。

パワー半導体モジュール１２０を動作させて３相モータ２４に通電すると、コンプレッサポンプ２７により加圧状態の冷媒ガスは筒状壁２３の内部から冷却部に圧送される一方、筒状壁２３の温度は所定の温度（例えば１２０℃）にまで昇温する。ここで、パワー半導体素子２１、２２の半導体層がＳｉＣで構成されているため、その良好な熱伝導特性により、パワー半導体素子２１、２２のジャンクション温度は、約２００℃に保たれ、パワー半導体素子２１、２２は良好に動作可能であった。

従って、本実施の形態におけるコンプレッサによれば、スイッチング素子としてのパワー半導体モジュール１２０を加熱された筒状壁２３に直接装着できる。即ち、パワー半導体モジュール１２０とコンプレッサ用の筒状壁２３とを一体化して構成できる。

また、このパワー半導体モジュール１２０を冷却する機構（空冷フィンやファン等）をコンプレッサ内部に配置する必要がなく、コンプレッサをコンパクトに構成できる。特に、パワー半導体モジュール１２０を筒状壁２３の壁面に埋め込むことが可能であれば、パワー半導体モジュール１２０によるコンプレッサ内部のデットスペースは完全に無くなり好適である。

また、従来のＳｉパワー半導体モジュールにおける煩雑な放熱設計を行う必要がなく、パワー半導体モジュールを使用したコンプレッサの伝熱設計の時間短縮やコスト低減が図れる。

更に、従来のＳｉパワー半導体モジュールの損失に比較して、このパワー半導体モジュール１２０の損失の割合（（パワー半導体モジュール１２０の入力電力−パワー半導体モジュール１２０の出力電力）／パワー半導体モジュール１２０の入力電力）は、約５％以下であり、ＳｉＣパワー半導体素子の低損失特性が確実に発揮される。

なお、実施の形態１と同様、セラミックパッケージの他、樹脂封止パッケージ、金属パッケージおよびガラスパッケージ等の各種半導体パッケージにこの技術は応用できる。

本発明に係る電気機器によれば、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体モジュールを使用することによって、電気機器の内部構造が簡素化され、ひいては電気機器がコンパクトになって、例えば、家庭用の各種電気機器に有用である。

ワイドバンドギャップ半導体からなる半導体層を有するパワー半導体モジュールを用いた実施の形態1による電気機器の一構成例を示した図である。ワイドバンドギャップ半導体からなる半導体層を有するパワー半導体モジュールを用いた実施の形態２による電気機器の他の構成例を示した図である。既存のＳｉを用いたパワー半導体素子を内蔵したパワー半導体モジュールの一構成例を示した断面概略図である。

符号の説明

１１、２１パワー半導体素子（コンバータ）
１２、２２パワー半導体素子（インバータ）
１３金属容器
１４加熱コイル
１５、２５パッド部（台座）
１６、２６セラミック
１８食材（飲料水）
２３筒状壁
２４３相モータ
２７コンプレッサポンプ
２８冷媒ガス
１１０、１２０パワー半導体モジュール
１３０、１４０電気機器

Claims

ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体モジュールと、９０℃以上、４００℃以下の温度範囲において使用される被加熱部材と、を備え、
前記半導体モジュールを前記温度範囲に加熱された前記被加熱部材に装着することにより、前記半導体モジュールが加熱されることを特徴とする電気機器。
前記半導体モジュールの使用時におけるジャンクション温度は、１５０℃以上、４００℃以下である請求項１記載の電気機器。
前記ジャンクション温度は、２００℃以上、３００℃以下である請求項２記載の電気機器。
前記半導体モジュールは、前記ワイドバンドギャップ半導体により半導体層を構成した半導体素子と、前記半導体素子を載せる金属製の台座と、を備え、
前記半導体素子の裏面と前記台座とが、金属接合されている請求項１記載の電気機器。
前記半導体素子の裏面と前記台座とが、超音波により金属接合されている請求項４記載の電気機器。
前記被加熱部材は凹部を有し、前記半導体モジュールは、前記凹部の内側に配置されている請求項１記載の電気機器。
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素である請求項１記載の電気機器。
前記半導体モジュールの動作の際、前記半導体モジュールの内部を流れる電流密度は、１０Ａ／ｃｍ²以上、１０００Ａ／ｃｍ²以下である請求項１記載の電気機器。
前記電流密度は、５０Ａ／ｃｍ²以上、５００Ａ／ｃｍ²以下である請求項８記載の電気機器。
前記被加熱部材の表面に誘導電流を発生する加熱コイルを備え、前記半導体モジュールは、前記被加熱部材の外周面に装着されて前記加熱コイルをスイッチング制御する請求項１記載の電気機器。
請求項１０記載の電気機器において、前記被加熱部材には食材または液体が収納され、加熱コイルに発生する誘導電流によって前記被加熱部材を誘導加熱することを特徴とする調理器。
前記被加熱部材の内部に充填されたガスを外部に圧送するポンプと、前記ポンプを駆動するモータと、を備え、前記半導体モジュールは、前記被加熱部材の外周面に装着されて前記ポンプをスイッチング制御する請求項１記載の電気機器。
請求項１２記載の電気機器において、前記被加熱部材の内部に冷媒ガスが加圧状態で充填されたことを特徴とするコンプレッサ。